Indeks bias AlN memiliki pengaruh langsung pada perangkat optoelektronik ultraviolet dalam berbasis AlGaN, seperti efisiensi kuantum eksternal perangkat pemancar cahaya. Mengungkap ketergantungan indeks bias AlN pada dislokasi ulir sangat berarti karena dislokasi ulir densitas tinggi biasanya ada di AlN. Dalam makalah ini, pengaruh kepadatan dislokasi yang berbeda pada indeks bias AlN diselidiki. Dengan meningkatnya kepadatan dislokasi dari 4,24 × 10 8 hingga 3,48 × 10 9 cm − 2 , indeks bias AlN menurun dari 2,2508 menjadi 2,2102 pada 280 nm. Studi lebih lanjut menunjukkan bahwa medan regangan skala nano di sekitar dislokasi mengubah perambatan cahaya dan dengan demikian menurunkan indeks bias AlN. Studi ini akan bermanfaat bagi desain perangkat optoelektronik dan dengan demikian mewujudkan perangkat optoelektronik ultraviolet dalam yang berkinerja tinggi.
Bahan berbasis AlN adalah bahan yang menjanjikan untuk membuat perangkat optoelektronik ultraviolet dalam (DUV) seperti dioda pemancar cahaya (LED) [1,2,3,4,5], dioda laser [6,7,8], dan fotodetektor [ 9, 10] karena celah pita langsung yang dapat disetel dari 3,4 hingga 6,2 eV [11]. Indeks bias AlN memiliki efek pada kinerja perangkat optoelektronik secara langsung. Untuk LED, indeks bias AlN berdampak pada efisiensi ekstrak cahaya (LEE) karena total sudut refleksi internal ditentukan oleh perbedaan indeks bias antara lapisan AlN dan wilayah lain, yang merupakan faktor pembatas utama untuk jumlah tersebut. dari keluaran cahaya. Karena efisiensi kuantum eksternal (EQE) adalah produk dari efisiensi kuantum internal dan LEE, indeks bias AlN akan mempengaruhi EQE LED. Juga, indeks bias memainkan peran kunci dalam desain struktur pandu gelombang seperti reflektor Bragg terdistribusi (DBR) [12,13,14], reflektifitas yang sensitif terhadap indeks bias. Oleh karena itu, pengungkapan faktor-faktor yang mempengaruhi indeks bias AlN menjadi penting. Dapat dipelajari dari penelitian sebelumnya bahwa indeks bias AlN dapat dipengaruhi oleh banyak faktor antara lain suhu, tekanan, dan celah pita. Indeks bias AlN meningkat dengan suhu yang lebih tinggi [15] dan tekanan yang lebih rendah [16]. Untuk bahan berbasis AlN, indeks bias menjadi lebih rendah dengan meningkatnya celah pita [17]. Juga, dislokasi dalam semikonduktor memiliki pengaruh besar pada sifat semikonduktor dan kinerja perangkat. Dislokasi akan melepaskan tegangan pada bahan [18]. Mereka juga akan mempengaruhi arus gelap dan responsivitas fotodetektor [19] dan mempengaruhi IQE beberapa sumur kuantum [11, 20] dan seterusnya. Namun, hanya sedikit penelitian yang berfokus pada pengaruh kepadatan dislokasi ulir (TDD) yang berbeda pada indeks bias AlN, meskipun ada TDD tinggi pada bahan AlN, yang biasanya bervariasi dari 10 8 sampai 10 9 cm − 2 pesanan dari laporan terbaru [21,22,23]. Menyelidiki korelasi antara TDD dan indeks bias AlN adalah kunci untuk mengoptimalkan kinerja perangkat optoelektronik. Dalam makalah ini, ketergantungan TDD yang berbeda pada indeks bias AlN telah dipelajari. Panjang gelombang foton yang berbeda digunakan, seperti 633 nm, 365 nm, dan 280 nm. Hasil penelitian menunjukkan bahwa dislokasi menyebabkan penurunan indeks bias AlN. Hasilnya akan bermanfaat bagi desain dan simulasi perangkat optoelektronik berbasis AlN seperti LED DUV dan struktur DBR.
Untuk mempelajari hubungan antara dislokasi dan indeks bias AlN, templat AlN ditumbuhkan dengan deposisi uap kimia logam-organik (MOCVD) pada substrat c-safir dan kemudian dianil pada suhu yang berbeda untuk mendapatkan sampel AlN dengan kerapatan dislokasi yang berbeda.
Saat menumbuhkan templat AlN oleh MOCVD, trimetiluminium dan amonia digunakan sebagai gas prekursor. Hidrogen digunakan sebagai gas pembawa. Tekanan selama pertumbuhan dijaga pada 40 mbar. Suhu dan waktu pertumbuhan lapisan nukleasi adalah sekitar 955 °C selama 150 s dan kemudian dinaikkan menjadi 1280 °C untuk pertumbuhan AlN suhu tinggi (HT). Setelah pertumbuhan AlN suhu tinggi 15 menit, interlayer AlN ditumbuhkan pada 1050 °C selama 160 s. Akhirnya, suhu pertumbuhan dinaikkan menjadi 1280 °C untuk menumbuhkan HT AlN yang kental selama 50 menit. Ketebalan total film AlN adalah sekitar 1,1 μm.
Setelah pertumbuhan lapisan AlN oleh MOCVD, templat AlN dianil secara ex situ pada 1500 °C, 1600 °C, 1700 °C, dan 1750 °C masing-masing selama 1 jam. Lapisan AlN tanpa anil ditandai sebagai sampel 1, dan sampel setelah anil 1500 °C hingga 1750 °C ditandai sebagai sampel 2 hingga 5. Difraksi sinar-X (XRD) digunakan untuk mengukur TDD dalam sampel AlN, dan dilakukan pengukuran spektroskopi elipsometrik (SE) untuk mengukur indeks bias. Spektrum pergeseran Raman diadopsi untuk mengkarakterisasi keadaan tegangan template AlN.
Gambar 1 a dan b menunjukkan kurva goyang XRD bidang (0002) dan (10-12) (XRC) dari lima sampel AlN. Dapat diamati bahwa lebar penuh pada setengah maksimum (FWHM) dari (0002) bidang XRC sedikit berkurang dan FWHM (10-12) bidang XRC sangat berkurang dari sampel 1 ke sampel 5. Kepadatan dislokasi dengan sekrup dan tepi komponen dapat dihitung menggunakan FWHM dari (0002) dan (10-12) bidang XRC menurut rumus (1) dan (2):[24, 25].
$$ {\rho}_{\mathrm{s}}={\beta_{(0002)}}^2/\left(2\pi \ln 2\times {\left|{b}_c\right|} ^2\kanan) $$ (1) $$ {\rho}_{\mathrm{e}}={\beta_{\left(10-12\right)}}^2/\left(2\pi \ ln 2\times {\left|{b}_a\right|}^2\right) $$ (2)
a XRC bidang (0002) dari lima sampel AlN. b XRC bidang (10-12) dari lima sampel AlN. c FWHM dari (0002, 10-12) pesawat XRC; lingkaran merah berarti FWHM bidang (10-12) dan kotak hitam mewakili FWHM bidang (0002)
dimana ρ s dan ρ e mewakili kerapatan dislokasi dengan komponen sekrup dan tepi, masing-masing. β adalah FWHM dari XRC. |b c | sama dengan konstanta kisi c-aksial, dan |b a | sama dengan konstanta kisi a-aksial dari AlN. FWHM dari (0002) dan (10-12) XRC bidang ditunjukkan pada Gambar. 1c untuk lima sampel AlN dan TDD yang dihitung dari lima sampel AlN ditunjukkan pada Tabel 1.
Data eksperimen SE dari lima sampel dipasang oleh perangkat lunak CompleteEASE (J.A. Woollam Inc.) menggunakan model semikonduktor parametrik, yang dapat mereproduksi sifat optik semikonduktor celah pita langsung secara efektif [26]. Gambar 2 a menunjukkan kurva eksperimental dan penyesuaian parsial dari lima sampel. Mean-squared error (MSE) dari lima sampel masing-masing adalah 8.139, 8.536, 9.175, 10.560, dan 9.821, yang menegaskan hasil pemasangan yang baik. Semua data dan hasil pemasangan disediakan di File tambahan 1.
a Data eksperimen parsial pengukuran SE dan kurva fitting. b Kurva indeks bias. c Indeks bias vs. TDD berbeda pada 280 nm, 365 nm, dan 633 nm
Kurva indeks bias kelima sampel dapat diperoleh dari hasil fitting seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2b. Ketika energi foton lebih rendah dari celah pita AlN (sekitar 6,2 eV), indeks bias meningkat dengan meningkatnya energi foton untuk kelima sampel. Namun, ketika energi foton lebih tinggi dari 6,2 eV, indeks bias menurun dengan meningkatnya energi foton. Fenomena ini dapat dijelaskan dengan relasi dispersi Kramers-Krőnig. Dengan penurunan TDD dalam AlN, indeks bias meningkat dari 2,019 menjadi 2,056 pada 633 nm, yang lebih dekat dengan AlN massal (2,15 pada 633 nm [27]). Artinya, dislokasi pada AlN membuat indeks bias lebih kecil dibandingkan kristal AlN curah.
Hubungan antara indeks bias dan TDD pada 4,42 eV (280 nm, solar blind UV), 3,40 eV (365 nm, celah pita GaN), dan 1,96 eV (633 nm) ditunjukkan pada Gambar. 2c serta Tabel 1 Dapat dilihat bahwa indeks bias AlN menurun dengan meningkatnya TDDs. Dengan meningkatnya kepadatan dislokasi dari 4,24 × 10 8 hingga 3,48 × 10 9 cm − 2 , indeks bias AlN menurun dari 2,2508 menjadi 2,2102 pada 280 nm.
Untuk mengungkap mekanisme bagaimana dislokasi mengubah indeks bias AlN, medan regangan yang disebabkan oleh dislokasi dipelajari. Hubungan antara indeks bias dan regangan yang diajukan dijelaskan dengan rumus (3) [28]:
$$ \Delta {\left(\frac{1}{n^2}\right)}_i=PS=\sum \limits_{ij}{p}_{ij}{s}_j $$ (3)Dalam rumus, p ij adalah tensor elasto-optik dan S adalah adanya regangan. Matriks konstanta fotoelastis P dari wurtzite AlN ditampilkan sebagai ekspresi (4) [29, 30].
$$ p=\left(\begin{array}{l}-0.1\kern1.75em -0.027\kern0.75em -0.019\kern1em 0\kern3em 0\kern2.75em 0\\ {}-0.027\kern0.5em -0.1\kern2em -0.019\kern1em 0\kern3em 0\kern2.75em 0\\ {}-0.019\kern0.5em -0.019\kern1em -0.107\kern1em 0\kern3em 0\kern2.75em 0\\ {}0\ kern2.75em 0\kern3em 0\kern3.5em -0.032\kern0.75em 0\kern2.75em 0\\ {}0\kern2.75em 0\kern3em 0\kern3.5em 0\kern3em -0.032\kern0.5em 0 \\ {}0\kern2.75em 0\kern3em 0\kern3.5em 0\kern3em 0\kern2.75em -0.037\end{array}\kanan) $$ (4)Matriks medan regangan dari dislokasi ulir dan dislokasi tepi dalam AlN dipertimbangkan. Model cincin silinder dari dua jenis dislokasi dijelaskan pada Gambar. 3. Menurut model, distribusi medan regangan di sekitar dislokasi tunggal dapat diperoleh [31, 32].
Model cincin silinder a dislokasi sekrup dan b dislokasi tepi
Medan regangan di sekitar dislokasi sekrup unit dapat ditulis sebagai:
$$ {e}_{xz}={e}_{zx}=-\frac{b}{4\pi}\frac{y}{\left({x}^2+{y}^2\ kanan)} $$ (5) $$ {e}_{yz}={e}_{zy}=\frac{b}{4\pi}\frac{x}{\left({x}^2 +{y}^2\right)} $$ (5a) $$ {e}_{xx}={e}_{yy}={e}_{zz}={e}_{xy}={ e}_{yx}=0 $$ (5b)Medan regangan di sekitar dislokasi tepi satuan dapat ditulis sebagai:
$$ {e}_{xx}=-\frac{b}{4\pi \left(1-v\right)}\frac{y\left({x}^2-{y}^2\right )}{{\left({x}^2+{y}^2\right)}^2}-\frac{b}{2\pi}\frac{y}{\left({x}^2 +{y}^2\right)} $$ (6) $$ {e}_{yy}=\frac{b}{4\pi \left(1-v\right)}\frac{y\left (3{x}^2+{y}^2\kanan)}{{\kiri({x}^2+{y}^2\kanan)}^2}-\frac{b}{2\pi }\frac{y}{\left({x}^2+{y}^2\right)} $$ (6a) $$ {e}_{zz}=\frac{b\left(\lambda - 2 v\lambda -2 Gv\right)}{2\pi \left(2G+\lambda \right)\left(1-v\right)}\frac{y}{x^2+{y}^2} $$ (6b) $$ {e}_{xy}={e}_{yx}=\frac{b}{4\pi \left(1-v\right)}\frac{x\left({ x}^2-{y}^2\right)}{{\left({x}^2+{y}^2\right)}^2} $$ (6c) $$ {e}_{xz }={e}_{zx}={e}_{yz}={e}_{zy}=0 $$ (6 hari)dimana b adalah panjang vektor Burgers dari dislokasi satuan dan e menunjukkan regangan di sekitar dislokasi. G = 121 GPa adalah modulus geser dari wurtzite AlN; λ = 117.1 GPa dan v = 0.241 masing-masing adalah konstanta lumpuh dan rasio Poisson [33, 34]. Menurut korespondensi antara e ij dan S k (i ,j = x ,y ,z; k = 1,2,...6) [35], kita mengubah medan regangan menjadi formasi matriks seperti di bawah ini untuk menyajikan lebih lanjut perubahan indeks bias yang disebabkan oleh dislokasi.
$$ {S}_{\mathrm{edge}}=\left({S}_1\kern0.5em {S}_2\kern0.5em {S}_3\kern0.5em 0\kern0.5em 0\kern0. 5em {S}_6\right) $$ (7) $$ {S}_{\mathrm{screw}}=\left(0\kern0.5em 0\kern0.5em 0\kern0.5em {S}_4\ {S}_5\kern0.5em 0\kanan) $$ (8)Diambil matriks (7) dan (8) ke dalam rumus (3), kita bisa mendapatkan ekspresi n disebabkan oleh sekrup unit dan dislokasi tepi unit.
$$ \Delta {\left(\frac{1}{n^2}\right)}_{\mathrm{screw}}={\left(\frac{1}{n_1^2}-\frac{1 }{n_0^2}\right)}_{\mathrm{screw}}=-0,032\left({S}_4+{S}_5\right)=-0,008\frac{b\left(xy\right)} {\pi \left({x}^2+{y}^2\right)} $$ (9) $$ \Delta {\left(\frac{1}{n^2}\right)}_{ \mathrm{edge}}={\left(\frac{1}{n_1^2}-\frac{1}{n_0^2}\right)}_{\mathrm{edge}}=-0.146\left( {S}_1+{S}_2\kanan)-0.145{S}_3-0.037{S}_6=\hbox{-} 0,146\left(\frac{b}{4\pi \left(1-v\right )}-\frac{b}{2\pi}\right)\frac{2y}{x^2+{y}^2}-0.145\frac{b\left(\lambda -2\lambda v-2 Gv\right)}{2\pi \left(2G+\lambda \right)\left(1-v\right)}\frac{y}{x^2+{y}^2}-0.037\frac{b }{4\pi \left(1-v\right)}\frac{x\left({x}^2-{y}^2\right)}{{\left({x}^2+{y }^2\kanan)}^2} $$ (10)Berdasarkan perhitungan, distribusi indeks bias (misalnya indeks bias pada 633 nm sebagai contoh) di sekitar dislokasi ulir dan tepi satuan ditunjukkan pada Gambar 4. Ini menunjukkan bahwa indeks bias di sekitar dislokasi berubah sepanjang arah radial dari inti dislokasi yang dapat dianggap sebagai media yang tidak homogen. Dengan demikian, propagasi cahaya dalam AlN akan secara koresponden dipengaruhi oleh TDD. Hamburan dan interferensi akan terjadi [36] ketika cahaya melewati medan bias ini di sekitar dislokasi. Akibatnya, indeks bias AlN akan berubah, yang sesuai dengan matriks hamburan medium tidak homogen [37].
Distribusi indeks bias pada 633 nm di sekitar a dislokasi sekrup unit dan b dislokasi tepi satuan
Seperti yang disebutkan di bagian "Pendahuluan", faktor pengaruh lain harus dihilangkan untuk membuktikan bahwa indeks bias benar-benar dipengaruhi oleh dislokasi. Semua sampel diukur pada suhu kamar untuk menghindari pengaruh suhu. Untuk menghindari pengaruh tegangan pada material AlN, spektrum Raman diambil untuk mengkonfirmasi tegangan pada AlN dan hasilnya ditunjukkan pada Gambar 5. E g puncak mode safir pada 750 cm − 1 diambil sebagai kalibrasi. Pergeseran puncak Raman dari AlN E 2 (h ) pergeseran biru dengan penurunan TDD seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1. Pergeseran biru E 2 (h ) puncak berarti AlN menderita lebih banyak dan lebih banyak tekanan tekan dari substrat safir. Namun, dengan meningkatnya tegangan tekan, indeks bias menjadi lebih dekat dengan AlN curah pada 633 nm. Dapat diperoleh dengan jelas bahwa stres AlN menderita substrat heterogen memiliki sedikit pengaruh pada indeks bias. Bukti tambahan untuk mendukung kesimpulan adalah bahwa indeks bias AlN juga lebih kecil daripada AlN curah ketika AlN mengalami tegangan tarik dari substrat Si [38], yang sama dengan kondisi AlN mengalami tegangan tekan dalam pekerjaan ini. Fenomena ini dapat dikaitkan dengan fakta bahwa tekanan AlN menderita substrat terlalu kecil untuk membuat perubahan signifikan pada indeks bias AlN. Akibatnya, dibandingkan dengan pengaruh faktor lain, efek stres dari substrat pada indeks bias AlN dapat diabaikan.
Spektrum pergeseran Raman dari lima sampel
Bandgap dari lima sampel juga dihitung di sini. Koefisien penyerapan optik α diekstraksi dari hasil pemasangan SE, dan kemudian celah pita E g dihitung berdasarkan rumus di bawah [39]:
$$ {\left(\alpha E\right)}^2=\left\{\begin{array}{c}C\left(E-{E}_g\right)\kern0.75em \left(E\ ge {E}_g\right)\\ {}0\kern4.75em \left(E<{E}_g\right)\end{array}\right. $$ (11)Plot dari (αE ) 2 vs. E disajikan sebagai Gambar. 6. Intersep dari x -sumbu adalah nilai E g . Dari titik potong kurva pas pada x -, peningkatan celah pita dari 6,1106 menjadi 6,1536 eV untuk sampel 1 hingga sampel 5 ditunjukkan pada Gambar. 6. Hubungan antara indeks bias dan celah pita ditunjukkan sebagai berikut [16].
$$ n(E)={\left[a{\left(\frac{E}{E_g}\right)}^2\left(2-{\left(1+\frac{E}{E_g}\ kanan)}^{0.5}-{\left(1-\frac{E}{E_g}\right)}^{0.5}\right)+b\right]}^{0.5} $$ (12)
Ketergantungan (αE ) 2 pada (E ), gambar sisipan menunjukkan celah pita templat AlN
dimana E adalah energi foton dan E g adalah celah pita dari AlN. a dan b adalah konstanta yang masing-masing sama dengan 13,70 dan 7,81 untuk AlN. Indeks bias AlN harus menurun dengan peningkatan E g sesuai dengan rumus. Namun, dalam penelitian ini, indeks bias AlN meningkat dengan peningkatan E g , yang berarti pengaruh celah pita pada indeks bias AlN dapat diabaikan dibandingkan dengan pengaruh TDDs. Oleh karena itu, perubahan TDD memainkan peran kunci dalam perubahan indeks bias AlN.
Dikombinasikan dengan analisis di atas, dipastikan bahwa medan regangan skala nano akan mempengaruhi distribusi indeks bias di sekitar dislokasi, yang selanjutnya mempengaruhi indeks bias AlN. Dislokasi akan menurunkan bias AlN menurut data eksperimen.
Kesimpulannya, pengaruh TDDs pada indeks bias AlN dipelajari baik secara eksperimental dan teoritis. Mengabaikan pengaruh suhu, tegangan, dan celah pita, diperoleh kesimpulan bahwa indeks bias AlN menurun dengan meningkatnya TDD. Studi lebih lanjut menunjukkan bahwa medan regangan skala nano di sekitar dislokasi menghasilkan indeks bias yang berubah secara signifikan di sekitar dislokasi. Hamburan dan interferensi akan terjadi setelah cahaya merambat melalui dislokasi dan dengan demikian indeks bias AlN akan berubah. Temuan dalam pekerjaan ini akan bermanfaat untuk mengoptimalkan perangkat optoelektronik DUV berbasis AlN.
Semua data dapat diberikan atas permintaan yang sesuai.
Reflektor Bragg terdistribusi
Ultraviolet dalam
Efisiensi kuantum eksternal
Lebar penuh pada setengah maksimum
Dioda pemancar cahaya
Efisiensi ekstrak ringan
Deposisi uap kimia logam-organik
Kesalahan kuadrat rata-rata
elipsometrik spektroskopi
Kepadatan dislokasi threading
Kurva goyang XRD
difraksi sinar-X
bahan nano
Abstrak Karakteristik fisikokimia yang unik dari nanopartikel baru-baru ini mendapatkan perhatian yang meningkat dalam beragam aplikasi, khususnya di bidang biomedis. Namun, kekhawatiran tentang potensi efek toksikologi nanopartikel tetap ada, karena mereka memiliki kecenderungan lebih tinggi untuk
Pemotongan waterjet telah mendapatkan banyak popularitas di kalangan masinis karena kemampuannya untuk tidak mengganggu struktur bahan baku Anda saat memotong. Namun, biaya waterjet telah menjadi rebutan utama di antara banyak klien. Banyak perakit percaya bahwa pemotongan waterjet sangat mahal; de
Pelanggan mengharapkan lebih dari bisnis yang sering mereka kunjungi. Faktanya, 70% pemimpin bisnis mengatakan bahwa permintaan pelanggan meningkat setelah pandemi. Baik Anda adalah perusahaan utilitas atau Anda menawarkan layanan di bisnis atau rumah pelanggan, Anda memerlukan manajemen layanan l
Apa yang kami sebut pencetakan 3D biasanya digunakan dalam pembuatan cetakan, desain industri, dan bidang lainnya. Selain itu, di bidang makanan, teknologi 3D printing juga mengalami beberapa perkembangan penting. Kelebihan Pencetakan 3D 1. Pengoperasiannya sederhana dan nyaman Proses pembuatan mes
